راهنمای ساخت کرم چاله؛ یک ماموریت غیرممکن - مجله ویراپارس

روش اول: پُل انیشتین - روزن (The Einstein-Rosen Bridge)

کرم چاله یک میانبر است! یک تونل خاص که پلی در فضازمان به شمار میرود. به یاری آن می توانید از سفر فضایی خسته نماینده و غرق در سیاهی مطلق فرار کنید و به سرعت به چیزهای سرگرم نماینده برسید. وجود کرم چاله ها همیشه جزء اصلی داستان های علمی-تخیلی بوده اند، اما باید بدانید که کرم چاله ریشه در واقعیت های علمی هم دارد. بنابراین، در این مقاله قصد داریم تا راهنمای ساخت یک کرم چاله را پیش روی شما قرار دهیم تا با استفاده از آن، راه خود را در فضای بی کران کوتاه تر و مجذوب نماینده تر کنید!

در اولین قدم باید بدانید که مفهوم کرم چاله در ریاضیات نسبیت عام (GR) کاملاً پوشش داده شده است. درواقع نسبیت عام، زبان گرانش در نظر گرفته می گردد که با وجود نبوغ آلبرت انیشتین ریاضیات نسبتاً سَرراستی دارد. به طور کلی انیشتین در نظریه نسبیت عام اثبات کرد که آن چیزی که ما به عنوان نیروی جاذبه حس می کنیم، درواقع همان احساسی است که در هنگام حرکت از بین برآمدگی ها و موج های (بالا و پایین های) فضازمان درک می کنیم.

البته گفتنی است که همه این برآمدگی ها و موج ها از توزیع ماده و انرژی در همان فضازمان ناشی می شوند. به بیان دیگر ماده به فضا زمان می گوید که چگونه خم گردد؛ در عین حال خمش فضازمان حرکت ماده را معین می نماید!

حال اگر بخواهیم یک تونل (کرم چاله) در فضازمان بسازیم، باید مقدماتی از ماده یا انرژی را ایجاد کنیم که فضازمان را مطابق آنچه که مطرح شد، خم کند و در عین حال اطمینان حاصل کنیم که با خمش فضازمان تونل مدنظر ما ظاهر می گردد. درواقع شما می توانید با استفاده از نسبیت عام به عنوان راهنما، راهکاری برای معادلات آن پیدا کنید که امکان وجود کرم چاله را فراهم کند. در نگاه اول، ممکن است فکر کنید که ساده ترین راه برای ساختن کرم چاله، ساختن یک سیاهچاله است.

همانطور که می دانید سیاهچاله، نقطه ای با چگالی بی نهایت یا به عبارتی تکینگی (singularity) است که با مانعی یک طرفه، به نام افق رویداد (event horizon)، در هم پیچیده شده است. هنگامی که قصد عبور از افق رویداد یک سیاهچاله را داشته باشیم، هجوم گرانش چنان طاقت فرسا است که هیچ چیز، حتی نور، هم نمی تواند فرار کند و همه چیز به داخل آن کشیده می گردد!

رفتن به داخل سیاهچاله چیزی فراتر از سفری یک طرفه است؛ درواقع این سفر، قدم نهادن به داخل بزرگراهی، مستقیم به جهنم (تکینگی) است. تضمین می کنیم که پس از ورود به سیاهچاله، به تکینگی ابدی خواهید رسید!

راهکار سیاهچاله در نسبیت عام، در پاسخ به سوالی ساده ارائه می گردد؛ چه می گردد اگر ماده را به چنان چگالی بالایی برسانیم که هیچ نیروی دیگری توانایی ایستادگی در مقابل آن را نداشته باشد؟ بینگوووووووووو؛ یک سیاه چاله خواهیم داشت!

اما بخش جالب تر ماجرا اینجاست که وجود سیاهچاله ها تنها پاسخ به این سوال نیستند. درواقع ریاضیات حاکم بر معادلات نسبیت عام امکان وجود چیزی کاملا معکوس با سیاهچاله را هم فراهم می نماید. چیزی که به نام سفیدچاله (White hole) شناخته می گردد.

به طور کلی سفیدچاله ها هم دارای تکینگی در مرکز خود هستند، با این تفاوت که افق رویداد آن ها برعکس سیاهچاله عمل می نماید. به عبارت دیگر هیچ چیزی نمی تواند وارد سفیدچاله گردد و هر آنچه در داخل آن شکل گیرد، سریع تر از سرعت نور به بیرون پرتاب می گردد!

ممکن است با خود فکر کنید، این موضوعات چه ربطی به سیاهچاله دارد؟ که در پاسخ باید اذعان داشت که با نگاه کردن به ریاضیات نسبیت عام، وقتی یک سیاهچاله را تشکیل می دهید، به طور اتوماتیک یک سفیدچاله به آن متصل می گردد! به همین دلیل، طبیعتا راه ارتباطی یک جفت سیاهچاله و سفیدچاله، کرم چاله ای با پشتوانه قوی ریاضیاتی خواهد بود. این پُل ها به افتخار اینشتین و همکارش ناتان روزن، پل های انیشتین-روزن (یا اگر فکر می کنید خیلی خَفن هستید، متریک تعمیم یافته شوارتزشیلد (extended Schwarzschild metric)) نامیده می شوند.

بازگشت به لیست

مسائل ساخت کرم چاله با پُل انیشتین - روزن

با این حال، دو مشکل کوچک در این روشِ ساخت کرم چاله وجود دارد! اول اینکه، می توان اعلام کرد که با احتمال بسیار بالایی سفیدچاله ها وجود ندارند، چراکه از نظر انرژی بسیار ناپایدار هستند. درواقع مشکل در افق رویداد معکوس آن هاست. چراکه هرگز نمی توانند چیزی از بیرون را در درون خود داشته باشند و دائماً همه چیز را به بیرون پرتاب می نمایند.

یک سفیدچاله دقیقاً معادل با سیاهچاله است، با این تفاوت که در زمان به عقب حرکت می نماید. بنابراین تشکیل و تکامل یک سفیدچاله هم شبیه به سیاهچاله است. درواقع سفیدچاله آنقدر جرم (یا انرژی) به بیرون پرتاب می نماید تا به اندازه کافی جرم از دست دهد و به طور خود به خودی ستاره ای تشکیل گردد! البته باید بدانید که شما نمی توانید یک ستاره بسازید، آن هم به این علت که از آن خوشتان می آید؛ چراکه چنین رویه ای قانون دوم ترمودینامیک را نقض می نماید. پس ساخت سفیدچاله شدنی نیست و بدون وجود جفت سیاهچاله و سفید چاله عملا کرم چاله ای هم به وجود نخواهد آمد.

ازجمله دیگر مسائل پُل انیشتین-روزن این است که ورودی کرم چاله خود در افق رویداد سیاهچاله قرار گرفته است؛ بنابراین باید با حرکت از یک محدوده یک طرفه، سفر خود به درون کرم چاله را ادامه دهید. مساله این است که ماهیت افق رویداد به این شکل است که شما نمی توانید پس از ورود به آن از آن خارج شوید. بنابراین مهم نیست که چه اتفاقی می افتد، شما تکینگی را در مرکز خواهید دید و بلعیده خواهید شد. اطلاعات مطرح شده در این قسمت از دل همان ریاضیاتی بیرون می آید که در وهله اول وجود کرم چاله را مجاز می داند، بنابراین هیچ راهی برای خروج از این تله وجود ندارد!

بازگشت به لیست

روش دوم: پُل موریس - تورن (The Morris-Thorne Bridge)

خب، همانطور که معین است، وجود ورودی کرم چاله بر روی افق رویداد سیاهچاله مشکل آفرین است. بنابراین برای حل این مشکل باید ورودی را خارج از افق رویداد قرار دهیم؛ به این ترتیب، می توانیم در تونلِ (به دلایل نامعینی فیزیکدانان به آن گلو (throat) می گویند!) کرم چاله با خیالی آسوده سفر کنیم و نگرانی ای از بابت تکینگی نداشته باشیم. خبر خوب اینکه با استفاده مجدد از ریاضیات نسبیت عام می توان فهمید که اتفاقا ساختن چنین کرم چاله ای کاملاً ممکن است؛ خبر بد اینکه یک مشکل خیلی خیلی کوچک وجود دارد و آن بحث پایداری است! کرم چاله ها به طرز عجیبی ناپایدار هستند.

کاملا درست است که شما می توانید چیزی (تونلی) بسازید که به دو منطقه دوردست در فضازمان پل بزند، و البته که می توانید با شگفتی و اندکی غرور به هوش و ذکاوت خود نگاه کنید. چراکه تنها کافیست در لحظه (و به فاصله افتادن یک فوتون در کرم چاله) فوراً خود را مانند یک نوار لاستیکی بکشید، از هم جدا کنید و سریع تر از سرعت نور حرکت کنید! بنابراین احتیاج به شرط دومی برای ساخت کرم چاله وجود دارد و آن اصل پایداری است که به هر چیزی اجازه عبور از گلوی خود را می دهد، بدون اینکه از هم بپاشد. به همین دلیل در سال 1988 دو فیزیکدانان به نام های مایکل موریس و کیپ تورن با عمیق شدن در ریاضیات نسبیت عام، راهی برای ساختن یک کرم چاله پایدار، کاربردی و قابل عبور را یافتند و آن این است که ورودی کرم چاله را بالای افق رویداد قرار دهیم.

بازگشت به لیست

مسائل ساختِ کرم چاله با پُل موریس - تورن

برای ساخت یک کرم چاله قابل استفاده و کاربردی تنها به ماده ای ساده احتیاج دارید که چیزی نیست به جز ماده منفی (Negative matter) که گاهی اوقات ماده عجیب (Exotic matter) هم نامیده می گردد. ماده منفی، ماده ای با جرم منفی است که وقتی در معادلات قرار می گیرد، این خاصیت شگفت انگیز را دارد که ورودی کرم چاله را به اندازه کافی بزرگ کند. در عین حال بی ثباتی کرم چاله را که ناشی از ماده عادی است، به خوبی از بین می برد.

ماده منفی، ماده ای با جرم منفی است! تصور کنید که یک توپ بولینگ را بردارید و وزن آن منفی 6 کیلوگرم باشد؛ یا برای گرفتن یک استیک آبدار از قصابی، هزینه منفی دو کیلوگرم گوشت را بدهید! به نظر عجیب و غیرمعمول به نظر می رسد، اینطور نیست؟

البته، چون عجیب غریب است!

تا به حال هیچ نمونه ای از ماده منفی در هیچ جای دنیا هستی، ظاهر نشده است و اگر روزی چنین ماده ای مشاهد گردد، هر آنچه در خصوص فیزیک می دانیم، کاملاً بر هم خواهد خورد. به عنوان مثال، اگر من یک توپِ ساخته شده از ماده منفی به شما بدهم و شما به آن لگد بزنید، در جهت مخالف ضربه شما حرکت می نماید. اگر آن را رها کنید، به سمت بالا پرواز می نماید.

بعلاوه اگر ماده منفی را در کنار ماده مثبت قرار دهید، ماده منفی به ماده عادی فشار می آورد، در حالی که ماده عادی هم به آن فشار وارد می نماید. در چنین حالتی بدون وجود هیچ نیروی خارجی ای با مواد سرعت های بی نهایت بالا حرکت خواهند کرد. به یاد داشته باشید که وجود ماده منفی، قوانین بقای تکانه و انرژی را نقض می نماید و می تواند حسابی فیزیک و فیزیکدان ها را به دردسر بیاندازد!

بازگشت به لیست

روش سوم: پُل انرژی مرموز (The Exotic Energy Bridge)

دنیا هستی به انرژی منفی، اجازه وجود داشتن می دهد و همانطور که می دانید، انرژی و ماده دو روی یک سکه هستند (فرمول مشهور E=mc2 نماینده همین اصل است). به همین دلیل جالب است بدانید که در دسترس ترین شکل انرژی منفی، در خلاء فضازمان قرار گرفته است. فیزیک مدرن دنیا را از دریچه علمِ میدان های کوانتومی (Quantum fields) می بیند که میدان های آن در تمام فضازمان غرق شد ه اند. میدان های کوانتومی موجود در فضازمان، با یکدیگر همپوشانی دارند و به روش های پیچیده و جالبی با هم تعامل می نمایند.

به عنوان مثال، شما می توانید به بخش های مختلف میدان انرژی دهید تا آغاز به حرکت کند، این همان اتفاقی است که در دنیای روزمره ما آن را به عنوان یک ذره در حال حرکت می شناسیم. به طور دقیق تر، برای هر ذره شناخته شده در طبیعت، یک میدان متناظر وجود دارد! یک میدانِ فوتونی (که معمولاً به عنوان میدان الکترومغناطیسی شناخته می گردد)، یک میدان الکترونی، یک میدان کوارک بالا، و غیره.

حال که با ماهیت میدانی فضا زمان از دید میدان های کوانتومی آشنا شدید، باید بدانید که اگر تکه ای از فضازمان را بردارید و همه ذرات آن را حذف کنید، خلاء ای کامل همراه با میدان های متناظر همه ذرات برداشته شده، به دست خواهید آورد. از آنجایی که میدان ها همیشه در حال ارتعاش هستند، اندازهی انرژی به شکل خالص در آن ها وجود دارد.

این فراوانی بیش از حد انرژی به این معنی است که می توانید سناریوهای هوشمندانه ای را برای کاهش محلی (نقطه ای) انرژی بسازید. تنها کاری که باید انجام دهید این است که هر چیزی غیر از اندازه بی نهایت انرژی را به شکل محلی جدا کنید، در چنین حالتی کوپه ای انرژی منفی خواهید داشت!

یکی از بخش های جزئی و مجذوب نماینده فیزیک در زمینه انرژی منفی، آنالیز پدیده ای تحت عنوان اثر کازیمیر (Casimir effect) است که به افتخار فیزیکدان هلندی هندریک کازیمیر نامگذاری شده است. اگر دو صفحه فلزی موازی را بردارید و آن ها را بسیار نزدیک به هم قرار دهید، می توانید انواع ارتعاشاتِ بین صفحات را محدود کنید. البته درست است که باز هم اندازه نامتناهی از ارتعاشات در بین دو صفحه وجود دارد، اما مسلما اندازه آن کمتر از ارتعاشات خارج از صفحات است.

در طی این آزمایش با استفاده از ترفندهای دقیق ریاضی می توانید این دو اندازهِ بی نهایت را از یکدیگر کم کنید و انرژی منفی را کشف کنید که به صورت نیروی جذبی بین صفحات ظاهر می گردد. اثر کازیمیر پدیده ای واقعی است که در آزمایشگاه اندازه گیری شده است. بنابراین می توان نتیجه گرفت که انرژی منفی یک واقعیت در دنیا ماست.

اوه، فراموش کردم، طبیعتا جایی که انرژی منفی وجود داشته باشد، احتمال ایجاد کرم چاله های پایدار و قابل عبور هم وجود دارد. فقط یک مشکل وجود دارد، باید بزرگترین مساله حل نشده فیزیک را حل کنید تا امید به تحقق این آرزو برگردد. فیزیکدانان مطمئن هستند که پاسخ نهایی برای ساختن کرم چاله ها در قلمرو ناشناخته گرانش کوانتومی است، علمی که در پیوند مکانیک کوانتومی و نسبیت عام نهفته است.

نسبیت عام به ما می گوید که کرم چاله ها ممکن است محقق شوند، اما این پدیده تنها در صورتی که شرایط مناسب (یعنی انرژی منفی) پدیدار گردد، اتفاق می افتد. به همین دلیل نظریه میدان های کوانتومی به ما می گوید که چگونه انرژی منفی بسازیم، اما چیزی در خصوص جور کردن گرانش با میدان ها نمی زند و تا به امروز ما هیچ نظریه ای در خصوص گرانش کوانتومی نداریم.

بازگشت به لیست

کلام آخر

در خاتمه ممکن است جالب باشد که بدانید، تحقیقات در خصوص ماهیت میدان های کوانتومی در نزدیکی افق رویداد و در اطراف سیاه چاله ها نشان داده است که ساختن یک کرم چاله پایدار با تغییر شکل آن ممکن است. اما این کرم چاله ها باید فوق العاده کوچک (طولی بزرگ تر از 10 به توان منفی 35 متر نداشته باشد!) باشند.

به طور کلی فیزیکدانان مجذوب کرم چاله ها (مانند همه پدیده های دیگر در طبیعت) هستند، چراکه می توانند از آن ها به عنوان آزمایشگاهی قدرتمند برای مطالعه گرانش کوانتومی استفاده نمایند. از طرفی وجود چنین پدیده ای واقعا مجذوب نماینده است، بنابراین اگرچه من هنوز برنامه ریزی برای سفر به کهکشان آندرومدا را به طور کامل توصیه نمی کنم، اما نمی توانم این سفر را به عنوان یک احتمال، رد کنم.

منبع: ars TECHNICA